基于刚度相似原理的斜拉桥模型设计方法

模型试验是测定结构性能进行科学研究的重要手段之一,目前关于斜拉桥模型设计方法的系统研究还很少。本文提出了斜拉桥模型设计的总体思路,对结构静动力模型的相似关系进行了推导,并完全按照相似关系设计了一座三跨PC斜拉桥的理想模型桥,将其与实桥有限元数值模拟及原型成桥现场静动力测试结果进行比较分析。结果表明,对于斜拉桥这种组合体系结构,当存在两种弹性模量相似比时,采用刚度相似法处理相似关系是合理的。最后,阐述了实际中制作斜拉桥模型时应考虑的问题,为斜拉桥模型的设计制作提供指导。     

Analysis of in-plane 1:1:1 internal resonance of a double cable-stayed shallow arch model with cables' external excitations

The nonlinear dynamic behaviors of a double cable-stayed shallow arch model are investigated under the one-to-one-to-one internal resonance among the lowest modes of cables and the shallow arch and external primary resonance of cables. The in-plane governing equations of the system are obtained when the harmonic excitation is applied to cables. The excitation mechanism due to the angle-variation of cable tension during motion is newly introduced. Galerkin's method and the multi-scale method are used to obtain ordinary differential equations(ODEs) of the system and their modulation equations, respectively. Frequency-and force-response curves are used to explore dynamic behaviors of the system when harmonic excitations are symmetrically and asymmetrically applied to cables. More importantly, comparisons of frequency-response curves of the system obtained by two types of trial functions, namely, a common sine function and an exact piecewise function, of the shallow arch in Galerkin's integration are conducted.The analysis shows that the two results have a slight difference; however, they both have sufficient accuracy to solve the proposed dynamic system.     

大跨度斜拉桥非线性振动模型与理论研究进展

斜拉桥的非线性动力学问题一直都是力学、结构和桥梁领域的研究热点.随着新材料(如碳纤维增强聚合物索)和新施工工艺的发展,斜拉桥的跨越能力不断得到提高,从而在桥梁建设中更具有竞争力.然而,斜拉桥跨度的增大和新材料的应用使结构变得更轻和更柔,使结构的非线性振动问题比以往更为突出,可能危及桥梁安全.基于课题组近年来对斜拉桥非线性动力学的研究,围绕大跨度斜拉桥的非线性建模理论及动力学问题,较为详细地评述近十年来国内外的研究进展情况.主要从斜拉索非线性动力学模型、梁的非线性动力学模型、索-梁组合结构的非线性动力学模型、斜拉桥整体非线性动力学模型与理论、以及斜拉桥的非线性振动实验等几个方面对斜拉桥非线性建模方法、力学模型、数学模型、求解方法及相应研究成果进行评述和讨论.研究结果表明,斜拉桥由于多柔性索和大跨度梁的耦合问题,以及环境载荷的复杂性,导致其具有丰富的非线性动力学行为.同时由于高维非线性系统求解方法的欠缺,整体斜拉桥非线性动力学行为又相当复杂,深入研究面临很大困难.最后,基于未来斜拉桥的发展趋势和可能面临的突出问题,对斜拉桥非线性振动问题今后的发展方向进行了探讨和展望.      

基于首超破坏机制的大跨斜拉桥抖振动力可靠性分析

分别采用泊松分布和马尔可夫过程，给出了在一次强风作用下以及在设计基准期内桥梁结构某一特定截面或节点的抖振动力可靠性分析方法。然后，考虑斜拉桥的结构特点及其承受风荷栽的具体情况，确定了以斜拉桥的主梁系统为研究对象的结构体系抖振动力可靠性分析模型。在此基础上，采用串联失效模式，建立了斜拉桥主梁系统抖振动力可靠性分析过程。本文采用有限元法分析结构的空气静力响应。为了快速、准确地计算结构的抖振响应，考虑气弹力与抖振力的联合作用以及多模态耦合效应，采用有限元法和虚拟激励法相结合分析结构的抖振响应。最后，以某大跨斜拉桥为工程背景，对其主梁系统进行了基于刚度要求的抖振动力可靠性分析。     

谐波激励下斜拉桥面内非线性振动试验研究

斜拉桥拉索的振动问题一直是桥梁工程领域的研究热点。为揭示拉索大幅振动的力学机理,课题组建立了斜拉桥的全桥精细化模型,本文测试和研究了单频激励下的斜拉桥可能的非线性振动行为。首先,通过自由振动试验测试了模型的模态参数,并与两类有限元模型（OECS模型和MECS模型）进行对比,结果吻合良好。其次,试验研究了在单个竖向简谐激励下斜拉桥模型的非线性响应。研究发现：当激励频率与斜拉桥某阶全局模态频率接近时,主梁产生主共振,并引起多根长索产生大幅的参强振动;当激励频率与某根斜拉索面内一阶频率之比为1：2或者2：1时,可以观测到索中产生超谐波和亚谐波共振现象。     

CFRP索斜拉桥的索-浅拱模型及面内自由振动分析

本文针对斜拉桥的受力特点,基于索和浅拱的经典动力学运动方程,结合拉索与浅拱之间的耦合边界条件,并且考虑两者的几何非线性,建立了斜拉桥的多索-浅拱面内自由振动模型。将浅拱分段处理,结合索、浅拱连接处的动态平衡条件,应用分离变量法,建立多索-浅拱模型的面内自由振动理论。以双索浅拱模型为例,求解其特征值问题。同时,建立了相应的有限元模型,有限元计算结果与本文理论分析吻合良好。最后针对CFRP索斜拉桥的关键参数,基于本文的索-浅拱理论,对面内自由振动进一步研究。研究表明：浅拱的矢高在一定范围内变化,仅对某一阶频率产生影响,而其他各阶频率几乎没影响;CFRP拉索能显著改善索-浅拱组合结构的基本动力学特性。     

青洲斜拉桥的基准动力有限元模型

讨论了斜拉桥有限元动力分析模型,给出了基于环境振动试验结果建立大跨度斜拉桥基准有限元模型的步骤;讨论了桥面初始平衡构型、几何非线性、桥面板、混凝土桥面板与钢梁的剪力连接和端部纵向约束对模型的影响。经通车前现场环境振动试验结果验证的青洲闽江斜拉桥三维有限元模型,反映了桥梁在运营前的真实动力行为,可作为该桥各种复杂响应分析和长期健康监测、使用状态评估的基准。     

索-梁组合结构的建模及面内动力特性分析

利用哈密顿变分原理以及结构动静态构型的影响,建立了索-梁组合结构的约化运动学控制方程。考虑到边界条件和耦合连接条件,我们研究了体系的面内特征值问题。根据求解得到的面内特征值方程,并通过分段函数的引入,结构的模态函数可以被直接确定。随后,我们研究了参数垂跨比f,刚度比和质量比对面内固有频率的影响。研究发现从结构的频率谱图中可以看出频率跳跃现象是存在的,另外,频率穿越现象也是十分明显。随后 ,考虑到局部模态和整体模态,结合之前确定的特征值方程及分段振型函数,我们研究了索-梁组合结构可能的模态形状。最后,我们讨论了索-梁组合结构可能发生的内共振形式,比如面内1:1内共振形式以及1:2内共振形式。研究表明梁的静态构型不仅直接影响到耦合力连接条件,还将影响索-梁组合结构频率的确定。     

大跨度斜拉桥环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点。以青洲闽江大跨度斜拉桥为背景,介绍了通车前全桥环境激励动力试验,采用频域峰值法和时域随机子空间识别得到了该桥的基准的动力学特性,并与三维有限元模型计算结果进行了比较,二者吻合良好。结果表明环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,结果可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础。     

基于P-M谱的波浪荷载数值模拟及其对跨海斜拉桥的冲击响应规律研究

针对深水桥梁在海洋中面对波浪的冲击问题,以某跨海斜拉桥为例,设定P-M谱为目标谱,依据Welch算法对海浪功率谱进行验证,基于以上理论采用fluent软件建立数值波浪水槽,根据重现期为10年、50年和100年分别计算对应的波高为6.4 m,7.2 m和9.6 m的波浪力,并将波浪力导入斜拉桥进行动力响应计算。综合分析大桥的动力响应, 结果表明,(1) 纵桥向波浪力是由横桥向波浪冲击桥墩出现绕射效应而产生,所以斜拉桥所受横桥向波浪力远大于纵桥向波浪力;(2) 随着波高的增大,斜拉桥的动力响应峰值逐渐增大,主跨跨中和塔顶动力响应峰值随波高的增长率最快,次边跨跨中动力响应峰值随波高的增长率次之,边跨跨中动力响应峰值随波高的增长率最慢;(3) 随着波浪荷载的增大,塔顶横向位移响应增幅显著,塔顶位移响应峰值最大达到0.0598 m。相关研究对大跨度深水桥梁的设计和动力分析有一定的参考意义。     

斜拉桥主梁振动对拉索阻尼器减振效果的影响

应用拉索索端阻尼器是大跨度斜拉桥拉索减振的主要措施之一. 将主梁、索与阻尼器组合起来作为一个振动体系,通过理论分析与试验研究相结合的方法初步研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 建立了由索、梁和Kelvin阻尼器组成的简化理论模型; 设计了索、梁和阻尼器组合系统的简化力学试验模型; 详细研究了主梁振动对拉索附加阻尼器减振效果的影响. 理论与试验分析结果表明: 对于容易发生索、梁耦合振动的拉索,主梁振动明显降低拉索附加阻尼器的减振效果;在大跨度斜拉桥拉索的减振设计中,需考虑主梁参与振动的影响.      

Identification of horseshoes chaos in a cable-stayed bridge subjected to randomly moving loads

In this paper, the dynamic response of cable-stayed bridge loaded by a train of moving forces with stochastic velocity is investigated. The cable-stayed bridge is modelled by Rayleigh beam with linear elastic supports. The stochastic Melnikov method is derived and the mean-square criterion is used to determine the effects of stochastic velocity and cables number on the threshold condition for the inhibition of smale horseshoes chaos in the system. The results indicate that the intensity of the random component of the loads velocity can be contributed to the enlargement of the possible chaotic domain of the system, and/or increases the chances to have a regular behavior of the system. On the other hand, the presence of cables in cable-stayed bridges system increases it degree of safety and paradoxically can be contributed to its destabilization. Numerical simulations of the governing equations are carried out to confirm the analytical prediction. The effect of loads number on the system response is also investigated.     

In-plane non-linear dynamics of the stay cables

Stay cables used in cable-stayed bridge and cable-stayed arch bridge are prone to vibration due to their inherent susceptibility to external deflection. The present work is devoted to the mitigation of a stay cable from the point of view of its nonlinear dynamics. The Galerkin integral, multiple scales perturbation method, and numerical techniques are applied to analyze the primary and subharmonic resonances of the stay cable. The nonlinear dynamic response of the stay cable subjected to parametrical and forced excitations is investigated numerically. The effects of some key parameters of the stay cable, such as initial tension force, damping and inclination angle, and the excitation frequency and amplitude are discussed. The carbon fiber reinforced polymers (CFRP) cable is also studied to understand the effect of the material properties of cable. The results show that these parameters have a considerable effect on the dynamic behavior of the cable. In particular, unreasonable tension force and inclination angle of stay cable may cause excessive vibration. It is suggested that CFRP cable replaces steel cable, which can mitigate the vibration of a stay cable.     

CFRP索斜拉桥的结构动态测试研究与分析

为获知CFRP索斜拉桥的动力特性,推动CFRP索斜拉桥在我国的发展并积累经验,对国 内首座CFRP索斜拉桥分别进行了基于环境激励和锤击激励的结构动态特性测试研究,对不同 测试方案的试验结果进行了对比分析,结果表明脉动测试与锤击激励测试结果在对应的频率 值误差小、振型相似;环境激励测试法从测试的可行性、方便性及测试所得频率成分的组成 上较锤击激励测试法更为丰富.     

斜拉桥的静,动态电测法测试和频谱分析

本文用电测法对独塔斜拉桥的桥塔锚固区、索管及钢梁锚固区在静、动态不同工况下的应变和应力进行了测量和分析，并利用高速数据采集系统和快速付里叶变换（简称ＦＦＴ）对动载工况下的应变───时间响应信号进行了频谱分析，为优化工程设计和桥的合理使用提供了可靠的参考依据。     

独塔斜拉桥的环境振动试验与分析

桥梁环境振动试验具有简单方便和花费少等优点.本文以吉林市临江门大桥为工程背景,通过动力试验,研究了该桥在天然脉动荷载作用下的固有特性.采用结构分析软件ANSYS建立全桥的空间模型,计算该桥的固有特性.有限元计算结果与动力试验结果比较吻合.结果表明,环境振动响应足以识别出该桥所感兴趣的模态,可作为该桥的有限元模型修正、损伤检测、使用状态评估和健康监测的基础.     

梁主共振情形下索梁结构1∶1内共振分析

研究梁产生主共振情形下索梁组合结构的1∶1内共振问题。基于斜拉桥中的索梁组合结构模型,忽略索梁纵向惯性力的影响,考虑弯曲刚度、几何非线性及垂度等因素,利用索梁连接处的变形协调条件,采用Hamilton变分原理建立了索梁结构面内耦合非线性偏微分方程,运用Galerkin离散和多尺度法研究了梁主共振情形下索梁的1∶1相互作用问题,获得了内共振时的平均方程和分叉响应曲线方程。以某斜拉桥中索梁结构参数为例,研究了内共振时索梁结构之间的相互影响及时程曲线。结果表明,索容易出现共振情形,并呈现出较强的非线性特点;梁振动对索振动影响显著,索振动对梁振动影响较小;索梁内共振时能量相互交换,索梁振幅呈现此消彼长的现象。     

斜拉桥合理成桥状态确定的序列二次规划法

本文首先介绍斜拉桥合理成桥状态的概念和现有的斜拉桥索力优化方法。然后基于序列二次规划(SQP)算法,提出了一种用于确定斜拉桥成桥合理状态的实用方法,序列二次规划法。该方法通过建立斜拉桥索力优化的非线性规划模型,以斜拉桥主梁和索塔的弯曲应变能为目标函数,以各斜拉索的索力为设计变量,结构的应力和索力为约束条件,并计人大跨度斜拉桥各种几何非线性因素的影响,采用强次可行序列二次规划法进行优化求解,确定斜拉桥成桥合理状态的索力。运用该方法和空间非线性有限元分析程序分析了某斜拉桥的合理成桥状态,计算结果表明该方法简单、有效。     

考虑地震动多点激励与材料应变率效应的主跨300m级独塔斜拉桥弹塑性分析

建立主跨300m级独塔斜拉桥MIDAS/Civil空间有限元模型,开发Civil 2MARC可视化接口程序,进而将MIDAS/Civil模型转入MSC.MARC程序中并检验了模型转化前后的一致性。然后,开发了基于地表功率谱的地表多点地震动生成理论的多点地震动可视化软件MEMS_b(Multiple Earthquake Motions Simulation b)。进而说明了适用于多点位移-速度计算模型的相对精确性和容易实现的优势,并与MSC.MARC程序相结合应用于该桥梁的多点激励分析。最后分析了该桥梁地震作用下的薄弱环节与弹塑性反应,并研究多点输入和材料率效应对桥梁地震反应的影响规律。结果表明:(1)开发的可视化接口程序Civil2MARC界面便于操作,运行稳定,转化高效且结果可靠;(2)开发的可视化多点地震动生成程序MEMS_b界面友好,参数设置灵活且结果有效;(3)位移-速度多点计算模型理论完备,并可通过MSC.MARC程序对位移-速度多点计算模型加以实现;(4)解释并给出了应变率效应和多点地震动对该斜拉桥的塑性铰首次出现时间、位置以及计算末态塑性铰分布的影响规律。本文涉及到理论模型、程序开发及应用计算,可为相关工程提供参考。     

爆轰波对碰加载下平面金属样品动载行为实验研究

进行冲击波对碰加载简易平面金属Sn和W样品实验,采用X射线照相和激光干涉测速系统进行联合诊断,给出了2种材料冲击波对碰区表面微喷及主体破碎物质的直观图像,研究了Sn和W样品对碰区动力学行为,并比较分析2种材料对碰区特征的异同,给出了定性物理解释,实验结果可为爆轰波对碰加载下材料动力学特性的理论研究提供数据支撑。